Учебное пособие 2165

На рис. 3.9 приведена развернутая тяговая характеристика автогрейдера класса 180 ДЗ – 122А – 2 при разработке грунта на горизонтальном участке

всей длиной ножа косопоставленного отвала на первой передаче с TР t = TР = =const на каждой ступени нагружения путем заглубления отвала на соответствующую глубину резания hР . Автогрейдер был укомплектован дизельным двигателем А – 01 М с номинальной мощностью NДВ.Н = 99 кВт, гидро-

механической коробкой передач У 35.605 – 32 с однореакторным комплексным гидротрансформатором и шинами размером 14.00 – 20 модели Я – 307. Разрабатываемый грунт – свежесрезанный суглинок III категории с прочностью по ударнику ДорНИИ 12…17 ударов и массовой влажностью 15…18 %. Параметры отвала: длина B0 = 3,724 м, высота H0 = 0,632 м, угол резания

δ= 350, угол захвата α = 450 , угол наклона γ = 0.

Вотличие от стандартной тяговой характеристики, которую получают по результатам тяговых испытаний ЗТМ с помощью тормозного агрегата, имитирующего тяговую нагрузку на рабочем органе, данная характеристика (рис. 3.9) получена по результатам копания грунта в реальных условиях [120]. Копание грунта является комплексным процессом его разработки и включает в себя резание (отделение от массива стружки грунта) и заполнение вырезанным

грунтом рабочего органа (отвала или ковша). Сила тяги на рабочем органе TР затрачивается на преодоление сопротивления грунта копанию PK . Для автогрейдера при копании грунта на горизонтальном участке и установившемся режиме

заполнению отвала вырезанным грунтом при его движении вверх и вдоль по отвалу.

211

212

Рис. 3.9. Тяговая характеристика автогрейдера ДЗ – 122А – 2 при разработке грунта

При резании грунта всей длиной ножа косопоставленного отвала

Сопротивления PПР и PЗАП пропорциональны объему призмы вырезанного грунта VПР , максимальное значение которого для ЗТМ отвального типа

определяется размерами рабочего органа.

На характеристике автогрейдера (см. рис. 3.9) дополнительно представлены в функции силы тяги на рабочем органе TР следующие параметры: T – теоретическая скорость движения машины, то есть окружная скорость ведущих колес; VПР – объем призмы вырезанного грунта для глубины резанья hРк при заданном значении TР ; hРк , hРp – глубина резания при заданном значении TР для процесса копания (с учетом призмы вырезанного грунта) и для процесса только резания (при отсутствии призмы вырезанного грунта); ПкТ , ПТp – техническая производительность процессов копания и резания грунта; ЭкП , ЭpП –

энергетические показатели процессов копания и резания грунта.

Итак, в процессе копания грунта автогрейдером из массива вырезается грунт в виде стружки с площадью поперечного сечения FР B0hP sin , который формирует призму объемом VПР и заполняет рабочий орган. Техническая

производительность рассчитывается по объему грунта, вырезанному в плотном теле. Для ЗТМ непрерывного действия, в данном случае автогрейдера, при вырезании грунта из массива всей длинной ножа косопоставленного под углом

α отвала на установившемся режиме с hР = const и Д = const значения текущей

PКMAX = 62 кН, которая соответствует значению максимальной силы тяги на

213

рабочем органе по сцеплению TР . Для реализации TР = 62 кН достаточно заглубить отвал на величену hР = 0,235м при этом процесс разработки грунта прекращается, так как Д = 0 при коэффициенте буксования движителя 100%.

По графикам, представленным на рис. 3.9, анализируем известные режи-

=41900…42500), кДж/кг; i M – индикаторный и механический КПД двигателя; GT – подача (расход) топлива в двигатель, кг/ч.

Режим NДВMAX соответствует режиму GT MAX и имеет место при TР = 57 кН. Режим NТ.Р MAX = 52,7 кВт имеет место при TР = 42,5 кН. Режим gT MIN = =356,7г/(кВт ч) имеет место при TР = 37,5 кН. Режим ПTKMAX = 1627,4 м3/ч имеет место при TР = 47,5 кН. Как видим, эти режимы не совпадают друг с другом по величине тяговой нагрузки TР . На этот факт было подробно указано в работах

[32, 33, 34].

На режиме NДВMAX максимально используется энергетический потенциал

двигателя, но не реализуются в полной мере тяговые возможности машины, а следовательно, имеет место весьма низкая ее производительность при разра-

ботке грунта. На режиме NТ.Р MAX формально максимально используются тяго-

вые возможности машины, но этот режим не учитывает механику процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом при его копании, а значит не сможет

обеспечить максимальную производительность ПTKMAX . Режим NТ.Р MAX будет соответствовать максимальной производительности ПTP MAX , когда сила тяги на рабочем органе TР , а значит и тяговая мощность NТ.Р , будут затрачиваться только на вырезание стружки грунта. В реальных условиях вырезанный грунт формирует призму, создающую сопротивления PПР и PЗАП , на преодоление которых необходимо затратить дополнительно соответствующее значение TР , а значит и NТ.Р . Таким образом, режим NТ.Р MAX не может быть принят за опти-

214

и, по высказанным замечаниям относительно режимов NДВMAX и NТ.Р MAX , не могут быть оптимальными. Как было установлено в работе [36], совмещение режимов NТ.Р MAX и Т MAX по тяговому усилию TР невыполнимо. Режим ПTKMAX

является реальным. Он отражает механику процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом, но не отражает полностью физическую картину процесса разработки грунта, а именно его энергетическую сторону.

Режим ЭКП MAX = 84 м3/кг (см. рис. 3.9) имеет место при TР = 45 кН и является промежуточным между режимами ПTKMAX и gT MIN , позволяя при незначи-

тельном уменьшении производительности на 0,25%, сократить удельный расход топлива на 5,8% и тем самым получить при копании грунта увеличение количества разработанного грунта на единицу затраченного энергоносителя на

4,4% по сравнению с режимом ПTKMAX . Это соответствует современным энергосберегающим технологиям.

Режимы gT MIN и ЭРП MAX являются идентичными, так как

полнительные сопротивления PПР и PЗАП , что требует для их преодоления дополнительных затрат TР и NТ.Р , а это вызывает уменьшение скорости движения машины υд или же для ее сохранения требуется уменьшить глубину резания, поэтому hPK < hPP при том же значении TР и Д . Таким образом, для одного и того же силового режима TР кривые ПТР и ЭРП располагаются выше кривых ПTK и ЭКП (см. рис. 3.9).

Это явление особенно существенно при копании грунта ЗТМ циклического действия (скрепер, бульдозер и автогрейдер при угле захвата отвала α = =900), когда текущий объем вырезанного грунта перед рабочим органом

(отвалом) в виде призмы VПР t или внутри его (в ковше) и связанные с ним сопротивления в процессе копания PПР t , PЗАП t непрерывно возрастают, что

приводит к уменьшению текущих энергетических затрат непосредственно на вырезание грунта из массива и, как следствие этого, к уменьшению текущих

значений Д t , ПТ t , к возрастанию GT t и уменьшению текущего значения ЭП t . Таким образом, чтобы обеспечить в процессе копания грунта ЗТМ циклического действия текущее значение энергетического показателя на максимальном уровне ЭП t MAX , необходимо непрерывно выглублять рабочий орган, то есть уменьшать текущее значение глубины резания hР t . Анало-

215

гично происходит и при копании грунта ЗТМ циклического действия на режиме NТ.Р MAX , но с более высокой интенсивностью уменьшения глубины резания

hР t [22]. При этом текущее значение NТ.Р t MAX = NТ.РMAX = const в отличие от

ния глубины резания hР t ОПТ будет максимальным текущее значение ЭП t MAX . Все это объясняется увеличением в процессе копания текущего объема призмы вырезанного грунта VПР t , которая у ЗТМ непрерывного действия для заданного текущего значения hР t = hР = const остается с постоянным объемом

VПР t = VПР = const.

Выводы:

1. Существующие режимы разработки грунта ЗТМ не позволяют в полном объеме решить проблему повышения их эффективности.

2. Данную проблему необходимо решать на основе системного подхода и энергетической концепции к процессу разработки грунта с использованием

предлагаемого критерия – максимума энергетического показателя ЭП t max и соответственно ему режима разработки грунта при ЭП MAX .

3. Энергетический показатель ЭП является интегральным и включает в

себя все ныне известные в теории ЗТМ показатели оценки эффективности, так как выражается через входную и выходную координаты рабочего процесса ЗТМ и ее энергетического потока, что подтверждает его системный характер.

Следовательно, и режим разработки грунта при ЭП MAX является обобщенным

режимом, позволяющим решать проблему повышения эффективности ЗТМ комплексно, системно.

3.5. Математическая основа управления процессом функционирования ЗТМ

Функционирование ЗТМ, связанное с разработкой (копанием) грунта, представляет собой управляемый энергетический процесс технической системы «ЗТМ – грунт» [43, 78], входной координатой которого является подача энергоносителя в двигатель GT t , а выходной – количество разработанного в

единицу времени грунта, т.е. техническая производительность ПТ.К t , которая для данной машины и грунта эквивалентна реализованной на рабочем органе механической энергии с тяговой мощностью NT.P t . Поэтому процесс копания

216

грунта ЗТМ по своей физической сущности – это энергетический поток (3.66) (см. рис. 3.10):

GT t NДВ t NTP t NT.P t ПТ.К t ,

где GT t – величина подачи энергоносителя (для двигателя внутреннего сгорания ДВС – углеводородного топлива, кг/ч) в двигатель (энергетическую машину); NДВ t – эффективная мощность механической энергии, развиваемая

двигателем на выходном валу, кВт; NTP t – мощность механической энергии, передаваемой от двигателя в трансмиссию передаточного механизма с учётом отбора части мощности двигателя NДВ.ОТБ t на привод вспомогательных меха-

низмов NВМ t и исполнительных механизмов NИМ t управления рабочим органом, кВт; NT.P t – тяговая мощность механической энергии, подведённая

к рабочему органу технологической машины от двигателя с помощью передаточного механизма, включающего трансмиссию, движитель, тяговую или

ность ЗТМ при копании грунта, м3/ч.

VД (t)

Рис. 3.10. Энергетический поток процесса разработки грунта ЗТМ

Из сказанного следует, что копание грунта ЗТМ осуществляется на тяговом режиме её работы за счёт механической энергии с тяговой мощностью NT.P t , генерируемой тяговым приводом и реализуемой на рабочем органе с

технической производительностью ПТ.К t . Тяговый привод включает в себя энергетическую машину (двигатель) – непосредственный генератор механи-

217

ческой энергии, передаточный механизм, включающий в себя трансмиссию, движитель и раму, соединяющую движитель с рабочим органом, и механизмы управления ими.

Являясь, по сути, энергетической основой ЗТМ, тяговый привод непосредственно обеспечивает её функционирование, т.е. эффективную разработку грунта. А поэтому функционирование тягового привода ЗТМ необходимо рассматривать в сфере процесса копания грунта, т.е. функционирования системы «ЗТМ – грунт», как этого требует системный подход [45] со всеми вытекающими из него принципами, согласно которым эффективность системы

– это нормированный к затратам ресурсов результат её действия на определённом интервале времени.

Так как тяговый привод непосредственно работает на готовый продукт функционирования ЗТМ (результат её действия) – разработанный грунт, то в соответствии с принципами системотехники в целевую функцию его функционирования кроме величины технической производительности ПТ.К t одновре-

менно должна входить и величина подачи (оперативного расхода) энергоносителя GT t , которые к тому же являются выходной и входной координатами

энергетического потока.

В качестве такой функции был предложен [39, 78] энергетический показатель процесса разработки грунта (2.189)

а критерием эффективности процесса разработки грунта и процесса функционирования тягового привода принят его максимум

ЭП t max ,

характеризующий максимальное количество грунта, разработанного на единицу затраченного энергоносителя.

Энергетический показатель ЭП t является интегральным и включает в

себя все ныне известные в теории ЗТМ оценочные показатели и критерии эффективности:

выражается через единичные входную GT t и выходную ПТ.К t координаты

рабочего процесса ЗТМ и её энергетический поток, что подтверждает его системный характер.

218

Процесс копания грунта ЗТМ, а значит и процесс функционирования её тягового привода, являются управляемыми процессами. В качестве управляющих воздействий у современных ЗТМ могут быть использованы (рис. 3.10) воздействия на автоматический регулятор подачи топлива в ДВС uДВ , коробку

которые и составят математическую основу управления им.

219

Исходными функциями являются: для NT.P hP TP hP Д hP - это TP hP

Режим NТ.P MAX обеспечивает машине максимальную производительность,

если рабочий орган полностью реализует эту мощность непосредственно на вырезание грунта из массива, т.к. техническая производительность ПТ.К опре-

деляется по объёму грунта VГР , вырезаемому в плотном теле. В реальности тяговая мощность на рабочем органе NТ.P и её составляющая сила тяги TP затрачиваются на преодоление общего сопротивления грунта копанию PK , которое включает в себя сопротивление вырезанию грунта из массива РP и сопротив-

ления, связанные с формированием вырезанного грунта в призму волочения и заполнением ею рабочего органа РПP , т.е.

PK PР PПР .

Кроме того режим NТ.P MAX не учитывает расход энергоносителя в процессе копания грунта. А критерий NТ.P MAX не является системным для процесса

функционирования системы «ЗТМ – грунт», т.е. процесса копания грунта, он только промежуточный.

Этих недостатков лишён процесс разработки грунта на режиме ЭП MAX

[44], позволяющий решить задачу энергосберегающего управления им.

В настоящее время задача энергосбережения в технологических процессах машин стала весьма актуальной, поэтому она должна решаться одновременно с задачей повышения производительности, т.е. она становится частью общей проблемы повышения эффективности работы машин, в том числе и землеройно-транспортных.

Оперативным управляющим воздействием на процесс копания грунта, а значит и процесс функционирования ЗТМ, принята глубина резания hP t рабочего органа, которая непосредственно формирует объём вырезанного в плотном теле грунта hP t VГР t , а значит и техническую производительность

ПТ.К t dtd VГР t ,

и одновременно формирует внешнее входное воздействие на тяговый привод через рабочий орган

hP t PK t TP t ,

220